測量輸入設備的移動的方法

2023-10-24 15:21:12 1

專利名稱：測量輸入設備的移動的方法
技術領域：
本發明涉及一種測量目標和用戶的輸入設備的相對運動的方法，所述運動包括至少一個滾動運動或者點擊運動，由此使用包括至少一個光傳感器單元的輸入設備，由此傳感器單元執行的測量包括以下步驟用測量雷射光束照射目標表面、由發射測量光束的二極體雷射腔捕獲由所述目標反射的測量光束輻射和測量由重新進入的測量光束輻射及雷射腔中的光波的幹擾引起的雷射器操作中的變化。本發明還涉及進行該方法的輸入設備以及涉及包括這樣一個輸入設備的裝置。
這樣一個方法以及用戶的輸入設備(之後為輸入設備)從PCT專利申請WO 02/27410已知。WO 02/27410的光輸入設備試圖用於例如手持或者膝上型計算機，用以在顯示器上移動光標，例如選擇顯示的菜單的功能。為了從菜單選擇一個功能或者項目，人們的手指(目標)在輸入設備的外殼中跨越透明窗口的方向移動。這個運動叫做滾動動作。點擊運動的方向例如可與滾動運動的方向垂直。為了激活選擇的功能，手指以與所述窗口垂直的方向移動。這個運動被叫做點擊動作。輸入設備可以很小，因為光傳感器單元能做得很小。這就開闢了用於輸入設備的新應用的道路。例如，用戶的輸入功能可以裝入到行動電話中用於選擇菜單的項目和用於訪問網際網路頁面，也可裝入到其他手持裝置或者筆記本計算機中。
WO 02/37410的滾動和點擊輸入測量方法和設備基本上比現有技術的方法和設備更可靠、更簡單和更便宜。使用了對於這裡所討論的輸入設備類型是新的的思想。就如後面將解釋的，該思想是一個諸如人的手指的移動目標在測量雷射光束中引入的都卜勒位移和所謂的二極體雷射器中的自混合效應的組合，所述二極體雷射器提供測量光束。自混合是這樣一個現象，即由二極體雷射器發射以及在從目標反射之後重新進入二極體雷射器腔的輻射誘導該二極體雷射器的增益的變化，以及因而誘導該雷射器發射的輻射中的變化。WO 02/37410的滾動和點擊方法和設備允許測量滾動運動的速度和方向並通過兩個二極體雷射器測量路徑(傳感器單元)的方式檢測點擊動作，所述測量路徑例如朝著與設備的窗口相關的相反銳角方向。該方法將被稱為矢量分解方法。二極體雷射器可被供以周期性變化的電流，並且可比較在第一和第二半周期期間生成的測量信號以確定滾動動作的方向。
本發明的一個目的是提供用於測量滾動和點擊運動的新方法和設備，該方法和設備甚至比WO 02/237410的方法和設備更簡單、更精簡和更便宜。該方法的特徵在於只使用了一個用於測量滾動運動和點擊運動的光傳感器單元。
該新方法是基於這樣的理解，即傳感器單元的測量光束中的迄今未使用的信息能用來檢測輸入設備的窗口上手指的存在。單個點擊動作包括一個手指朝著設備窗口和反向的快速運動，並且在點擊動作之前和之後是沒有運動發生的時間間隔。另一個可能是將手指放到窗口上，收回手指並再次將其放到窗口。在朝著窗口運動和離開窗口的運動之間，手指在窗口上停留了一個短暫的時間間隔。如果檢測到手指在窗口上的這樣一個停留或者存在，就能夠得出發生了點擊動作的結論。該檢測能由測量滾動運動的傳感器單元執行，以便能節省傳感器單元並且尤其是二極體雷射器。因為二極體雷射器是輸入設備中最昂貴的部件，所以新方法實質上比使用兩個傳感器單元，即兩個二極體雷射器的方法便宜。而且節省一個二極體雷射器意味著減少了原應在裝置中保存的空間，所述裝置被配備能力來執行該方法。
本方法的第一實施例的特徵在於設備窗口上目標的存在通過確定重新進入的測量光束輻射是否包括以比由滾動運動引起的幅度改變更低的頻率上改變的幅度分量來確立。
在WO 02/37410的輸入設備中，傳感器輸出信號的高頻分量用來確定滾動和點擊動作。在本方法的第一個實施例中，使用以下的理解輸出信號的低頻和DC部分包括關於輸入設備窗口上手指的存在的可用信息，並因此是關於正在執行的可能點擊動作的信息。
第一實施例進一步的特徵在於較低的頻率分量通過附加的檢測器的方式測量。
可替換地，第一實施例的特徵在於較低的頻率分量從傳感器輸出信號分離。
本發明的第二實施例的特徵在於設備窗口上目標的存在通過測量用於驅動二極體雷射器的電流的變化來確立。
如果手指在設備窗口上存在，二極體雷射器形成部分的反饋迴路，該迴路通過一個例如安置在二極體雷射器的後端的測量光電二極體閉合，並且自混合效應引起雷射器效率的增加。這意味著當手指在窗口上時雷射器驅動電流減少。
本方法的第三實施例，其中使用周期性調製的測量光束，其特徵在於設備窗口上目標的存在通過在時間上對應於測量光束脈衝周期的周期中檢測輸出信號波動的模式的存在來確立，所述模式是專門用於設備的窗口上目標的存在。
本實施例使用應用了自混合效應的光輸入設備的唯一特徵，即設備窗口上手指的存在引起該傳感器輸出信號中波動的特定模式。該特定模式能用於確定手指的存在，並且因為點擊動作包括在窗口上輕擊手指並從窗口收回手指，還確定點擊動作是否發生。周期性調製的測量光束可以是脈衝的測量光束。
使用傳感器輸出信號中的波動的方法可與使用該信號中的低頻分量的方法組合，以增加測量的冗餘和可靠性。
存在多種可能來測量二極體雷射器的操作中的變化，從而得出本方法的若干實施例。
第一實施例的特徵在於測量雷射器操作中的改變包括測量雷射器的阻抗中的改變。
二極體雷射器的阻抗是其中一個參數，其由於幹擾效應而改變，並且是輸入設備和目標或者手指的相對運動的函數。該阻抗能通過測量二極體雷射器兩端的電壓和用通過二極體雷射器發送電流的已知值去除測量的電壓值來測量。
本方法的第二及優選的實施例的特徵在於測量雷射器的操作中的變化包括測量二極體雷射器發射的輻射強度的改變。
如果輻射被通過手指耦合回雷射器腔，則當雷射器驅動電流保持恆定時增加由二極體雷射器發射的輻射強度。
本發明還涉及一個用於測量目標和輸入設備的相對運動的輸入設備，所述運動包括至少一個滾動運動或者點擊運動，所述輸入設備包括至少一個光傳感器單元，該光傳感器單元包括一個具有用於提供測量光束的雷射器腔的二極體雷射器、用於在目標處會聚測量光束的光學裝置和用於測量雷射器的操作中的改變的測量裝置，所述改變的原因是由目標反射和重新進入雷射器腔的測量光束輻射以及這個腔中光波的幹擾，所述測量光束輻射還用於提供依賴於目標相對輸入設備的運動的輸出信號。該設備的特徵在於光傳感器包括附加裝置，允許確立設備窗口上目標的存在。
這個輸入設備有利地利用可從傳感器單元得到的信息，該信息在之前未被利用過。
傳感器單元可利用幾種類型的附加裝置，它們可以是分開的或者結合的，其結合可以創建冗餘性並且增加獲得的點擊運動信息的可靠性。
輸入設備的第一個實施例的特徵在於附加裝置由用於被安排去接納測量光束輻射的輻射敏感檢測器和一個電子低通濾波器的裝置構成，這些裝置在點擊運動發生後立即提供一個信號。
然而在WO 02/37410的用於確定點擊運動的設備中，估計傳感器單元的輸出信號的高頻部分，在根據本發明的設備的這個實施例中，利用以下事實，即低頻和DC分量包括關於該設備窗口上手指的存在的有用信息，且因此而包括有關點擊運動的信息。
輸入設備的第二實施例的特徵在於附加裝置由用於導出來自測量裝置的輸出信號的低頻分量的裝置構成。
有關點擊運動的信息現在從諸如監視器二極體的、供給滾動信息的檢測器導出，而不是從附加的輻射敏感檢測器導出，使得節省了一個組件。
輸入設備的第三實施例的特徵在於附加裝置是用於測量用於二極體雷射器的驅動電流的裝置。
在這個實施例中，利用輸入窗口上手指的存在將引起用於二極體雷射器的驅動電流的減少的事實。通過測量這個電流，將確立手指的存在並且還確立是否發生了點擊運動。
輸入設備的第四實施例，其中傳感器單元通過激活脈衝被激活並且測量裝置在由激活脈衝確定的時間間隔期間執行測量，其特徵在於附加裝置包括計數裝置和比較裝置，用於確立在第一和第二半個所述時間間隔期間測量的輸出信號中的波動的數量是否相等。
在這個實施例中，利用這一事實，即在滾動運動的情況下，雖然所述第一和第二半個時間間隔中的波動的所述數量不同，但當手指停留在窗口上時它們相等。這是當執行點擊運動時的臨時情況。
同樣對於根據本發明可從其導出點擊信息的傳感器輸出信號，不同的實施例是可能的。
這些實施例的第一個的特徵在於測量裝置是用於測量雷射器腔的阻抗變化的裝置。
這些實施例的第二個的特徵在於測量裝置是用於測量由雷射器發射的輻射的輻射檢測器。
優選地，該實施例進一步的特徵在於輻射檢測器被安置在與發射測量光束側相反的雷射器腔一側。
二極體雷射器標準地在其後端配有監視器二極體。通常，這樣一個監視器二極體用於穩定在二極體雷射器的前端發射的雷射光束的強度。現在監視器二極體用於檢測雷射器腔中的變化，所述變化由重新進入雷射器腔的測量光束的輻射所生成。
在要求測量附加運動的情況下，輸入設備的特徵在於其包括一個用於測量其方向不同於滾動運動和點擊運動的方向的附加運動的附加光傳感器單元。
附加光傳感器可用於測量例如垂直於上述滾動運動的第二滾動運動。
輸入設備可用於不同的應用，比如在行動電話、無繩電話、膝上型或者手持計算機、用於桌面計算機的鍵盤、遙控單元、書寫筆或者虛擬筆。
本發明的這些和其他方面通過非限制的示例，參考以下附圖將變得清楚和明白。在附圖中

圖1a顯示已知光輸入設備的實施例的橫截面，該設備使用自混合效應並且在其中可實現本發明；圖1b是該設備的頂視圖；圖2說明通過自混合效應的方式進行測量的原理；圖3顯示光頻率和雷射器腔的增益的變化，作為設備和目標的相對運動的函數；圖4說明測量此變化的方法；圖5顯示雷射波長的變化，作為雷射器溫度的函數；圖6顯示為雷射器使用一個周期性變化的驅動電流的效應；圖7說明如何檢測運動的方向；
圖8和9顯示已知的滾動和點擊設備的實施例；圖10顯示根據本發明的滾動和點擊設備的第一實施例；圖11顯示根據本發明的滾動和點擊設備的第二實施例；圖12顯示裝備了在其中可實現本發明的輸入設備的無繩電話；圖13顯示包括裝備有這種輸入設備的遙控器的電視機；圖14顯示裝備有這種輸入設備的膝上計算機；圖15顯示裝備有這種輸入設備的桌面計算機；圖16顯示裝備有這種輸入設備的筆，和圖17顯示裝備有這種輸入設備的虛擬筆。
圖1是已知光輸入設備的實施例的圖示性橫截面。該設備包括在其下側的底座1，其是二極體雷射器的載體，在這個實施例中，二極體雷射器是VCSEL型的雷射器、和例如光電二極體的檢測器。在圖1a中，只有一個二極體雷射器3及其關聯的光電二極體4是可見的，但是通常在底座上提供至少一個第二二極體雷射器5和關聯的檢測器6。如在裝置的頂視1b中所示。二極體雷射器、及其關聯的光電二極體和一個透鏡的組合被稱為傳感器單元。二極體雷射器3和5分別發射雷射、或者測量光束13和17。在其上側，設備具有透明的窗口12，目標15例如人的手指跨越該窗口移動。透鏡10，例如一個平凸透鏡被安置在二極體雷射器和窗口之間。該透鏡使測量光束13和17聚焦在透明窗口的上側或者靠近該透明窗口的上側。
如果目標15，例如人的手指出現在這個位置，它就散射光束13。光束13輻射的一部分按測量光束13的方向散射，並且該部分通過二極體雷射器3的發射表面上的透鏡10被會聚並重新進入該雷射器的腔。在後面將解釋的，返回腔中的輻射引起該腔中的改變，其尤其導致了由二極體雷射器發射的雷射輻射的強度的改變。這個改變可由將輻射變化轉換成電信號的光電二極體4和用於處理所述信號的電子電路18檢測。測量光束17還在目標上聚焦，由此被散射，並且部分散射的輻射重新進入二極體雷射器5的腔中。對於光電二極體6，顯示在圖1a和1b中的電路18和19隻有示例性的目的並可以是更加或者更不傳統的。如圖1b所說明的，該電路是互相連接的。
圖2說明通過自混合效應的方式進行運動測量的原理。在該圖中，二極體雷射器，例如二極體雷射器3，通過它的腔20來示意性地表示，同時它的前平面和後平面由雷射鏡21和22分別表示。所述腔具有長度L。其運動被測量的目標通過參考數字15表示。在此目標和前平面21之間的空間形成外部的腔，其長度為L0。通過前平面發射的雷射光束由參考數字25表示，並且由目標按前平面的方向反射的輻射由參考數字26表示。在雷射器腔內生成的部分輻射通過後平面並被光電二極體4捕獲。
如果目標15按測量光束25的方向移動，則反射的輻射26經歷都卜勒位移。該意味著該輻射的頻率改變或者頻移發生。該頻移依賴於目標移動的速度，並且是幾kHz到MHz的量級。重新進入雷射器腔的頻移的輻射幹擾光波或者在這個腔中生成的輻射，即在該腔中發生自混合效應。根據在光波和重新進入該腔的輻射之間的相移量，該幹擾將是肯定的或者否定的，即發射的雷射輻射的強度是周期性增加的還是減少的。通過這種方式生成的雷射輻射調製的頻率精確地等於在腔中生成的輻射的頻率和重新進入該腔中的都卜勒位移的輻射的頻率之間的差。該頻差是幾kHz到MHz的量級並且可容易地檢測。自混合效應和都卜勒位移的組合引起雷射器腔的特性的變化；特別是它的增益或者光幅度變化。
這顯示在圖3中。在這個圖中，曲線31和32分別表示發射的雷射輻射的頻率υ的變化和二極體雷射器的增益的變化，作為目標15和前鏡21之間的距離L0的函數。υ、g和L0都是任意單位。由於距離L0的變化是目標移動的結果，圖3的橫坐標能在時間軸上重定比例，使得增益被繪製成一個時間的函數。作為目標的速度v的函數的增益變化Δg被給出為g=-KLcos{4vtc+4L0t}c]]>在這個等式中-K是與外部的腔的耦合係數；其表示在雷射器腔之外耦合的輻射量；-υ是雷射輻射的頻率；-v是按測量光束方向的目標的速度；-t表示時間，和-c是光速。
目標表面在其自己的平面移動，在圖2中用箭頭16表示。因為都卜勒位移只對光束方向的目標移動發生，所以該移動16應當使得它有在這個方向的分量16』。因此，就變得有可能測量XZ平面的運動，即是圖2的製圖的平面，所述運動可稱為X運動。圖2顯示目標表面具有一個與系統其餘部分對應的歪斜位置。在實際中，通常測量光束是歪斜的光束，並且目標表面的運動將發生在XY平面。Y方向垂直於圖2中的製圖的平面。可由第二二極體雷射器發射的第二測量光束和由與第二二極體雷射器關聯的第二光電二極體捕獲的散射光來測量在這個方向上的運動。通過將二極體雷射器相對透鏡10偏心地安置，來獲得歪斜照射光束，如圖1所示。
通過測量在雷射器後平面的輻射的強度來測量由目標運動引起的雷射器腔增益的變化是最簡單的，並且因此也是最吸引人的方式。傳統上，此二極體被用於保持雷射輻射的強度恆定，但是現在它被用於測量目標的運動。
測量增益變化以及因此是目標運動的另一種方法是利用雷射輻射的強度與雷射器結點(junction)中導帶內的電子數量成比例的事實。這個數量進而又反比於結點的電阻。通過測量這個電阻，可確定目標的運動。在圖4中說明此測量方法的實施例。在該圖中，二極體雷射器的活性層由參考數字35表示，並且給該雷射器供電的電流源由參考數字36表示。二極體雷射器兩端的電壓經由電容器38提供給電子電路40。用通過雷射器的電流標準化的該電壓與雷射器腔的電阻或者阻抗成比例。與二極體雷射器串連的電感37形成對於跨二極體雷射器的信號的高阻抗。
除了運動量，即目標被移動和能通過使測量的速度相對時間積分而測量的距離外，還必須檢測運動的方向。這意味著必須確定目標是沿著運動軸向前或者向後運動。確定運動方向的第一方法使用從自混合效應得出的信號的形狀。如圖3中的曲線圖32所示，該信號是不對稱的信號。曲線圖32表示目標15向雷射器移動的情形。上升的斜率32』比下降的斜率32」陡。不對稱性是對於目標離開雷射器的運動，該不對稱性是顛倒的，即下降的斜率比上升的斜率陡。通過確定自混合信號的不對稱性的類型，可斷定目標的運動方向。
在某些情況下，例如對於目標的較小反射係數或者目標和二極體雷射器之間的較大距離，確定自混合信號的形狀或不對稱性可能變得困難。為此，確定運動方向的第二個方法是優選的。第二個方法利用雷射輻射的波長λ依賴於二極體雷射器的溫度且因此依賴於通過其的電流的事實。如果例如二極體雷射器的溫度增加，則雷射器腔的長度增加並且被放大的輻射的波長增加。圖5所示的曲線45顯示發射的輻射的波長λ的溫度(Td)相關性。在這個圖中，橫軸Td和縱軸λ可以是任意單位。
如圖6所示，如果曲線圖50表示的周期性驅動電流Id被提供給二極體雷射器，二極體雷射器的溫度Td周期性地上升和下降，如曲線圖52所示。這在雷射器腔中生成一個持續的(standing)光波，其具有周期性變化的頻率，以及因此具有相對於由目標反射和以某一時間延遲重新進入該腔的輻射的連續變化的相移。在驅動電流的每個半周期中，當前存在連續的時間段，在該連續的時間段中，根據腔中的波和重新進入該腔的反射的輻射的相位關係，該二極體雷射器增益交替地更高和更低。這生成一個發射的輻射的時間相關的強度變化(I)或者波動，如圖6的曲線圖54所示。該曲線圖表示靜止，或者非移動的目標的情形。在第一半周期1/2p(a)中的波動數量等於在第二半周期1/2p(b)中的波動數量。
目標的運動引起重新進入雷射器腔的輻射的都卜勒位移，即該頻率根據運動的方向而增加或者減小。在一個方向，前向方向的目標的運動引起重新進入的輻射的波長的減小，而在相反方向上的運動引起該輻射的波長的增加。在都卜勒位移的情況下，在雷射器腔中光波的周期頻率調製具有的效應取決於該都卜勒位移具有的、與該雷射器腔中頻率調製的符號相關的符號。如果兩個頻移具有相同的符號，光波與重新進入的輻射之間的相位差以很低的速率改變，並且雷射輻射的產生的調製的頻率更低。如果兩個頻移具有相反的符號，光波與輻射之間的相位差以更快的速率變化，並且雷射輻射的產生的調製的頻率更高。在雷射器驅動電流的第一半周期1/2p(a)期間，生成的雷射輻射的波長增加。在後向移動的目標的情況下，重新進入的輻射的波長也增加，以便使在腔中光波的頻率和重新進入此腔的輻射的頻率之間的差更低。這樣，其間重新進入輻射的波長適合生成輻射的波長的時間段的數量比在沒有發射的雷射輻射的電調製的情況下更小。這意味著如果目標向後向方向移動，在第一半周期中的波動數量比在沒有應用調製時小。在第二半周期1/2p(b)期間，其中雷射器溫度和生成的輻射的波長減小，重新進入輻射的波長適合生成輻射的波長的時間段的數量增加。這樣，對於後向移動的目標，第一半周期的波動數量小於第二半周期的波動數量。這在圖7的曲線圖58中說明，所述曲線圖顯示了在目標向後向方向移動的情況下發射的雷射輻射的強度Ib。將該曲線圖與圖6的曲線圖54比較便知第一半周期的波動數量已減少而第二半周期的波動數量已增加。
可以從上面的解釋中明白，如果物體以前向方向移動，其中由目標散射和重新進入雷射器腔的輻射的波長由於都卜勒效應而減小，則第一半周期1/2p(a)的波動數量比第二半周期1/2p(b)的波動數量更大。這可通過比較圖7的、表示在前向移動的目標的情況下發射的輻射強度If的曲線圖56而得到證實。在一個電子處理電路中，從在第一半周期1/2p(a)期間計數的波動數量減去在第二半周期1/2p(b)期間計數的光電二極體信號波動的數量。如果所得信號是零，則目標是靜止的。如果所得信號是正的，則目標是以前向方向移動的，如果所得信號是負的，則目標是以後向方向移動的。
代替參考圖5和6所描述的實施例中使用的三角形驅動電流Id，還可使用其他形狀的驅動電流，比如正弦或者矩形。
如果通過測量二極體雷射器腔的電阻的變化來確定增益的變化，還可使用上述的測量目標運動的速度和方向的方法。
所述測量方法只需要一個小的都卜勒位移，例如對于波長來說，量級為1,5.10-16m的量級，這對應於雷射波長為680nm的100kHz量級的都卜勒頻移。
因為幾乎沒有什麼要求需要被設置到目標表面的結構或者反射係數上，所以許多類型的目標能用於激活輸入設備。例如，展示了還可用該設備測量一張紙的運動。
用光的觀點來看，使用自混合效應的光輸入設備的尺寸已經很小。該設備被實現為一個模塊時，其大小主要是由必須合併到該模塊中的電子器件的數量和由易於製造的方面來確定。例如，這種模塊的窗口具有3-5mm的直徑。因為在該設備中使用的測量原理，其部件不需要精確地排列，這對於大規模製造是一個很大的優點。通過使用本發明可節省二極體雷射器，而二極體雷射器是設備中最昂貴的部件，使得可減小設備的價格和尺寸並讓製造變得更容易。
在圖8中，顯示了光滾動和點擊輸入設備60的實施例，該設備可從WO 02/37410得知，將其與根據本發明的這種設備(如圖10所示)比較。圖8的設備包括兩個光傳感器單元62、64，其每一個可包括二極體雷射器和光電二極體組合體66、68。取代這樣一個組合體，還可使用分離的二極體雷射器和光電二極體。在每一個由單元62、64發射的輻射的路徑上安置透鏡70、72，該透鏡將關聯的單元62、64的輻射光束74、76基本上都聚焦在動作平面88上，其可以是窗口的平面。這個窗口78可形成該裝置外殼82的一部分，所述設備就在該裝置中使用，例如圖10中所示的行動電話。可安置傳感器單元，使得測量光束74、76的主光線相對於窗口82的法線成對角，比如角度分別為+45°和-45°。
例如為人的手指的目標80移動通過該動作平面以便進行滾動和/或點擊動作。如上所述，兩個動作都引起朝向雷射器/二極體組合體單元66、68的、手指所反射的輻射中的都卜勒位移。這些單元的檢測器的輸出信號被提供給信號處理和雷射器驅動電子電路64。該電路評估例如控制手指80的運動，並在其輸出86提供關於這些運動的信息。傳感器單元62、64、窗口88和電子電路84以及軟體可集成在一個模塊。這樣，該模塊被放置在行動電話中或者放置在另一個裝置中，它們應當被提供給滾動和點擊功能。還可能將用分離元件來實現輸入設備。特別地，部分的信號處理可由微控制器或者其他控制裝置執行，這些控制裝置形成行動電話或者其他裝置(比如遙控器、無繩電話或者便攜計算機)的一部分。
如前面所述的，相對於傳感器單元的手指運動的速度和方向可通過調製雷射器電流和計數由檢測器接收的輻射脈衝來檢測。從這些檢測器的輸出信號Sign1和Sign2，其代表沿著測量光束74、76的主光線的目標的速度，平行於窗口的速度(Vscroll)以及垂直於窗口的速度(Vclick)對於圖8的測量光束的正和負45°方向被計算如下 滾動和點擊運動就這樣通過所有可得的方向信息的矢量變換來確定，所述信息即當前在輸入設備中的所有檢測器的信號。
根據本發明，迄今未使用的信息能用於確定設備的窗口上的手指的存在，並進而確定是否執行點擊運動。因為這樣的信息與滾動運動信息的性質不同，其可從提供關於滾動運動的信息的傳感器單元獲得。這意味著滾動運動和點擊運動能通過僅一個傳感器單元的方式提供。
圖10顯示根據本發明的在行動電話裝置82中使用的輸入設備90的實施例。該單個傳感器單元包括一個二極體雷射器和光敏雷射器(監視器二極體)組合體92和會聚來自輸入設備的窗口78上的二極體雷射器的測量光束的透鏡94。監視器二極體耦合到電子電路98，其處理監視器輸出信號並控制雷射器驅動電流。參考數字100表示此電路的輸出或者到該輸入設備之外的設備的控制功能的接口，類似行動電話菜單。當測量光束的主光線以銳角入射到窗口上時，其具有一個在滾動方向X和點擊方向Z兩者上的分量。滾動運動和點擊運動都將引起在二極體雷射器腔中反射回的測量光束輻射中的改變。為了確定是滾動運動還是點擊運動引起這樣的一個改變，需要確立手指是否正停留在或者曾停留在窗口上一個給定的時間期間。如果是這樣的情況，那麼可以得出執行了點擊動作的結論。因為，這樣的動作由該手指朝向窗口的Z方向上的快速運動、手指的窗口接觸和手指從窗口的快速收回組成。
如上提到的，由穿過窗口的手指運動引起的雷射輻射調製的頻率是幾kHz到MHz的量級。已經發現，在手指停留在窗口的情況下，雷射輻射還將具有一個幅度分量，該幅度分量以基本上更低的頻率上變化，例如低於1kHz。這樣一個低頻分量的存在能通過如圖10中102表示的附加的檢測器(光電二極體)檢測，安置該附加的檢測器使得其接收部分的調製的輻射。可通過將諸如部分反射鏡的光束分離器(未示出)安置在測量光束的路徑上來控制入射到光電二極體102的輻射量。該光束分離器將測量光束輻射的一個固定部分朝附加的光電二極體反射。該附加的光電二極體耦合到雷射器驅動和信號處理電路100。該電路因此能確立是否發生點擊動作，進而確立測量的運動是點擊運動或是滾動運動。
低頻輻射調製的發生也能通過如圖11所示的監視器二極體的方式被檢測。該圖顯示了組合體92，它包括二極體雷射器104和用於接收在二極體雷射器後側發射的雷射輻射97的監視器二極體106。部分的監視器二極體信號Sd被提供給一個低通濾波器108，該濾波器只將低頻分量S1傳送給信號處理電路98。剩餘的信號Sd直接作為信號Sh提供給電路98。
並且，在這個電路中，確立是否發生點擊運動，即低頻信號分量是否存在，進而確立測量的運動，即Sh的信息是點擊運動或是滾動運動。還可能將整個信號Sd提供給電路98，並且該電路隔離來自信號Sd的低頻分量。
在手指停留在窗口的時間期間，存在光電反饋迴路，該迴路圍繞二極體雷射器和設備窗口，在該單元之間測量光束輻射來回傳播，還存在監視器二極體和雷射器驅動電路。在腔內耦合回的雷射輻射的效應是以較小的雷射器驅動電流發射的同樣的輻射量。當手指出現在設備窗口上時，驅動電流減小，以便可通過例如在圖4的電路或者本領域的技術人員已知的類似電路中測量該驅動電流來確立該存在。這種測量的結果允許確定用監視器二極體測量的運動是點擊運動還是滾動運動。
在使用一個脈衝的雷射器二極體雷射器的情況下，該設備窗口上的手指的存在還能通過計數在第一半個和第二半個雷射器驅動電流周期中出現的檢測器信號的波動數量來確立。如圖6和7解釋的那樣，如果手指在窗口上靜止，第一半周期中的波動數量將等於第二半周期中的脈衝的數量。在滾動運動的情況下，這些數量將不相等。通過計數所述半周期期間的波動的數量和相互比較這些數量，可以無疑義地確定該手指是否停留或者已經停留在窗口上。因此可以確立測量的雷射器腔中的變化是歸因於點擊運動還是滾動運動。
新方法的四個實施例的每一個可以和其他的實施例的一個或者多個組合，以獲得冗餘性並進而增加測量的可靠性。這些實施例的每一個還可與測量由於自混合效應和都卜勒位移而導致的雷射器腔中的變化的方法組合使用。
並且，在測量在諸如X和Y滾動以及點擊三個方向上的目標的運動的輸入設備中，對於每個方向利用分離的並在WO 02/37410中描述的傳感器單元，當使用本方法時可節省一個傳感器單元。這樣便獲得類似於圖1a、1b中所示的，或者類似於圖8、9所示的輸入設備，由此確定傳感器單元的測量光束的主光線的方向，使得可測量X、Y和Z方向的運動。新方法可用於兩個傳感器單元，以便創建冗餘性，並且增加可靠性。節省傳感器單元，特別是節省二極體雷射器和光電二極體的組合體在實踐中是十分重要的，因為二極體雷射器是輸入設備的最昂貴的部件。另外，節省傳感器單元意味著該設備可做得更緊湊，並且它將更容易變成該裝置中更容易嵌入的設備。還可能使新方法供具有原始數目(例如為三)的傳感器單元的輸入設備使用。其中一個傳感器單元能用於測量X方向的滾動運動和點擊運動，第二個傳感器單元能用於測量Y方向的滾動運動，以及第三個傳感器單元可用來產生附加的信息。
對於設計方面，與圖1a、1b和圖8、9中所示的不同的光輸入設備的其他實施例是可能的，類似於WO 02/37410中描述的實施例。例如，在二極體雷射器和窗口之間可放置光纖，以將來自二極體雷射器的輻射指引到窗口或者從窗口反向指引輻射。因此，可得到設計中的靈活性並且能增大二極體雷射器和窗口之間的距離，這就允許在裝置中有空間可用的那些位置安置輸入設備的部件。因而，輸入設備不再是一個模塊，如圖1a、1b的輸入設備那樣。
具有提交號為02077217.4(PHNL020523)的早先歐洲專利申請描述了一種新穎的和創造性的方法，用於處理傳感器單元的輸出信號。該方法允許滾動運動和點擊運動之間的無疑義的區別，以及滾動運動的(向上或向下)方向的十分可靠的檢測。在所述的方法中，不再使用矢量分解。其特性特徵是滾動運動信息和點擊運動信息從相同的傳感器信號導出，以及分析傳感器信號包括確定這樣的信號是顯示對點擊運動典型的第一時間模式，還是對滾動動作典型的第二時間模式，所述第一時間模式不同於第二時間模式。
由此，利用了用戶從來不在同一時間滾動和點擊的事實，以及利用了點擊運動生成一個基本上不同於由滾動運動生成的這種輸出信號的傳感器單元輸出信號的理解。點擊動作是快速的、短持續時間的運動，其之前和之後是一個非運動周期，且進而生成一個類似響應的脈衝串，在短的時間間隔包括一個或多個脈衝。該特定的信號形狀是依賴於個體用戶的手指的動力化和點擊的方向(向上點擊或向下點擊)。滾動動作在相同的時間周期期間生成相當大數量的信號波動，其具有比由點擊動作生成的單個脈衝的峰值更低。
優選地，對於分析在給定時間間隔期間獲得的傳感器信號，利用在其他時間間隔期間獲得的運動數據。當分析在給定的、中間的時間間隔期間測量的信號時，考慮以前和今後的測量允許十分可靠地確定滾動動作的方向，即向上滾動還是向下滾動。在時間上延遲所述給定時間間隔期間獲得的信號的分析便允許使用所述今後的測量，即在所述給定時間間隔之後所作的測量。
檢測在輸入設備窗口上的手指或者另一個目標的存在的本方法的一個實施例包括本方法和根據具有提交號為02077217.4的早先歐洲專利申請的方法的組合。該組合提供的優點為，通過合併藉助兩個方法獲得的數據，最後的測量結果十分可靠。對於利用這些信號的時間模式中的不同來處理由滾動動作和點擊動作生成的不同信號的細節，以及對於執行該處理的算法的實施例，參考該早先的歐洲申請，其被在此引用作為參考。
實現了本發明的輸入設備可不僅被用於移動、或蜂窩、電話裝置，還用於其他不同類型的裝置，將簡要討論其中一些。
圖12顯示配有一個在其中實現了本發明的輸入設備的無繩電話裝置110。該裝置包括基站112，其與電話或者有線網絡連接，以及可移動裝置124，其可在具有離基站例如小於100m的半徑區域內使用。裝置114包括鍵盤部分115和顯示設備117。用對於行動電話裝置描述的類似方式，裝置114配有如上所討論的用戶的輸入設備119。在圖12中，只顯示了光輸入設備的窗口。優選地，在這個其他應用中，窗口具有凸起的形狀，使得用戶能容易地找到設備位置，即使是在缺少照明的條件下。另外，因此通過手指的移動從窗口擦去灰塵和油脂，使窗口保持清楚。
圖13顯示與傳統電視機120一起使用的遙控單元130，其包括一個接收器和顯示裝置122以及一個機頂盒128，以使該裝置適於例如網際網路的通信。這個盒子提供經由電話或有線網絡對網際網路的訪問，並且將從網際網路接收的信號轉換為能被電視機處理的信號，以便顯示網際網路信息。作為TV網際網路的用戶，應當具有方便的用於網際網路命令的輸入設備，該輸入設備134應當被集成到遙控單元中。在其中可實現本發明的以及在圖3中只顯示其窗口的輸入設備134可安置在遙控單元的傳統按鈕132中間或者安排在能握住遙控單元的人的任何手可達範圍內的任何其他位置。
在其中實現了本發明的輸入設備還可用於計算機結構中，用於代替傳統的手驅動式跟蹤球滑鼠或者滑鼠墊。圖14顯示一個便攜計算機140，其已知為筆記本或者膝上型計算機，它包括基底部分142和具有LCD顯示器148的外蓋部分146。該基底部分裝有不同的計算機模塊和鍵盤144。在這個鍵盤中，安置了如上所述的光輸入設備150，以代替傳統的滑鼠墊。該輸入設備可安置在傳統滑鼠墊的位置或者其他可容易達到的位置。
如掌上電腦的手持計算機是筆記本的更小型式。並且，這樣的手持計算機可配有在其中實現了本發明的光輸入設備，例如以代替接觸顯示器屏幕的筆，所述筆通常被應用於選擇所顯示菜單的功能。輸入設備可被安置在手持計算機的鍵盤中，而且在該外蓋的內側。個人數字助手(PDA)可被認為是一種手持計算機，使得PDA或者遊戲計算機也可配有在其中實現了本發明的輸入設備。
圖15顯示桌面計算機結構160，其中可以多種方式應用光輸入設備，以代替傳統的跟蹤球滑鼠。該計算機結構由鍵盤162、計算機機箱164和監視器166組成。監視器可以是如圖所示的固定在支架168上的平板(flat)LCD監視器，或者CRT監視器。前面所述的光輸入設備170被集成到鍵盤中，使得不再需要分離的滑鼠及其到計算機機箱的電纜。
在上述的計算機結構中，輸入設備可安置在顯示部分，而不是在鍵盤部分，例如在圖14的膝上型計算機的外蓋146中，或者在手持計算機的外蓋中。輸入設備還可合併到除了計算機顯示器的其他顯示器中。
該光輸入設備還可合併到普通的筆或者虛擬筆中，以測量這種筆的運動。在這些應用中，光纖可用來將輻射從二極體雷射器引導到設備的窗口，以便設備的主要部分可安置在遠離筆尖的位置。
圖16顯示具有筆架181和筆尖182的普通筆180。輸入設備的部件的套狀外殼186固定在與筆尖相反的筆架尾部。外殼186裝有二極體雷射器、光電二極體和輸入設備的電子電路。光纖183、184從二極體雷射器引導輻射。這些光纖的尾部、例如筆尖的中間和它們的前端形成輸入設備的窗口。還可能將二極體雷射器和光電二極體安置在遠離筆的位置，還可能將輻射從二極體雷射器發射到筆尖，並且經由外部光纖發射回二極體雷射器，外部光纖的前端固定到筆尖。
當筆在因書寫文本或者作畫而移動時，通過輸入設備測量運動並將運動轉換為電信號。該信號例如立即經由有線188或者無線地被發射給計算機。計算機處理該信號，使得書寫的文本或者圖立刻或者在一些時間之後在計算機顯示器上可見，或者發送給另一個計算機或者存檔。該筆的輸入設備還能用於測量滾動運動或者點擊運動，以便該筆能當作計算機滑鼠使用。點擊動作可用於激活筆的輸入設備或者用於選擇筆菜單的另一個項或功能。該筆還可與行動電話組合使用，因此行動電話能用於發射文本或圖給遠程位置。該筆還可配有用於臨時存儲由用戶產生的文本或圖的裝置。
圖17顯示虛擬筆的垂直橫截面。這種筆根據要求的模式跨越普通的紙張或者另一下層(underground)移動，要求的模式可以是字母、字、畫等。該模式經由筆的輸入設備被翻譯成位置。出現在例如計算機或者行動電話中的電腦程式能將這些位置翻譯成虛擬文本或者畫。該虛擬模式能被轉換成視覺模式並且立刻或之後由該計算機顯示，或被發送到另一個計算機或者進入一個網絡。
圖17顯示的虛擬筆190的實施例包括一個帶有筆尖192的筆殼191，在下側的底座193和在筆尖的透明窗口194。在筆的下側裝有例如兩個二極體雷射器3、4和關聯的光電二極體和信號處理以及雷射器驅動電路二極體。這些部件可安裝到層195上。光纖196、197被耦合到二極體雷射器，以將雷射輻射引導到窗口194。例如塑料的固體材料的封套或套管198、199固定這些光纖。
權利要求
1.一種測量目標和用戶的輸入設備的相對運動的方法，所述運動包括至少一個滾動運動或者點擊運動，由此使用包括至少一個光傳感器單元的輸入設備，由此由該傳感器單元執行的測量包括以下步驟用測量雷射光束照射目標表面、由發射測量光束的二極體雷射器腔捕獲由所述目標反射的測量光束輻射，以及在雷射器腔中測量由重新進入的測量光束輻射和光波的幹擾引起的雷射器操作中的改變，其特徵在於使用一個傳感器單元來測量滾動運動和點擊運動兩者。
2.權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述設備窗口上目標的存在通過確定重新進入的測量光束輻射是否包括一個幅度分量，而該幅度分量以比由滾動運動引起的幅度改變更低的頻率改變，來確立。
3.權利要求2所述的方法，其特徵在於，更低的頻率分量通過附加的檢測器的方式來測量。
4.權利要求2所述的方法，其特徵在於，更低的頻率分量是從傳感器的輸出信號分離的。
5.權利要求1、2、3或4所述的方法，其特徵在於，所述設備窗口上目標的存在是通過測量用於驅動二極體雷射器的電流的變化來確立的。
6.權利要求1、2、3、4或5所述的方法，其中使用周期性調製的測量光束，其特徵在於，該設備窗口上目標的存在通過在時間上對應於測量光束脈衝周期的周期中檢測輸出信號波動的模式的存在來確立，所述模式對於該設備窗口上目標的存在是特定的。
7.權利要求1-6的任何一個所述的方法，其特徵進一步在於，滾動運動信息和點擊運動信息從相同的傳感器單元輸出信號導出，以及確定該輸出信號是顯示對點擊運動典型的第一時間模式，還是顯示對滾動運動典型的第二時間模式，所述第一時間模式不同於第二時間模式。
8.權利要求7所述的方法，其特徵在於，對於分析在一個時間間隔期間獲得的輸出信號，使用在其他時間間隔期間獲得的運動數據。
9.權利要求1-8的任何一個所述的方法，其特徵在於，測量在雷射器的操作中的改變包括測量二極體雷射器的阻抗的變化。
10.權利要求1-8的任何一個所述的方法，其特徵在於，測量在雷射器的操作中的改變包括測量由所述腔發射的輻射的強度的改變。
11.一種輸入設備，用於測量目標和該輸入設備的相對運動，所述運動包括至少一個滾動運動或者點擊運動，所述輸入設備包括至少一個光傳感器單元，該光傳感器單元包括一個具有用於提供測量光束的雷射器腔的二極體雷射器，用於在該目標處會聚測量光束的光學裝置和用於測量雷射器的操作中的改變的測量裝置，所述改變是由於該目標反射和重新進入雷射器腔的測量光束輻射以及這個腔中光波的幹擾而造成，所述測量裝置還用於提供依賴於該目標相對該輸入設備的運動的輸出信號，其特徵在於，光傳感器包括附加裝置，其允許確立在該設備的窗口上目標的存在。
12.權利要求11中所述的輸入設備，其特徵在於附加裝置由用於確立調製的測量光束輻射是否包括一個分量，而該分量具有比由滾動運動引起的頻率更低的頻率的裝置構成。
13.權利要求12中所述的輸入設備，其中傳感器單元包括用於測量該雷射器腔中變化的第一輻射敏感的檢測器，其特徵在於，該附加裝置由被安排去接收不入射到雷射器腔上的測量光束輻射的第二輻射敏感的檢測器構成。
14.權利要求12中所述的輸入設備，其特徵在於，附加裝置由用於檢測該測量裝置的輸出信號中所述分量的電子裝置構成。
15.權利要求11中所述的輸入設備，其特徵在於，附加裝置是用於測量二極體雷射器的驅動電流的裝置。
16.權利要求11中所述的輸入設備，其中傳感器單元通過激活脈衝被激活並且測量裝置在由激活脈衝確定的時間間隔期間執行測量，其特徵在於，附加裝置包括計數裝置和比較裝置，用於確立在第一和第二半個所述時間間隔期間測量的輸出信號中波動的數量是否相等。
17.權利要求11到16的任何一個所述的輸入設備，包括輸出信號分析裝置，其特徵在於，用於區分對點擊運動典型的第一輸出信號時間模式與對滾動動作典型的第二輸出信號時間模式的裝置。
18.權利要求17中所述的輸入設備，其特徵在於，輸出信號分析裝置包括用於合併以不同時間間隔獲取的測量結果的存儲和延遲裝置。
19.權利要求11-18的任何一個所述的輸入設備，其特徵在於，測量裝置是用於測量雷射器腔的阻抗的變化的裝置。
20.權利要求11-18的任何一個所述的輸入設備，其特徵在於，測量裝置是用於測量由雷射器發射的輻射的輻射檢測器。
21.權利要求20中所述的輸入設備，其特徵在於，輻射檢測器被安置在與發射測量光束側相反的雷射器腔一側。
22.權利要求11-21的任何一個所述的輸入設備，其特徵在於，其包括一個附加光傳感器單元，用於測量在不同於滾動運動和點擊運動方向的方向上的附加運動。
23.一種行動電話裝置，包括一個如權利要求11-22的任何一個所述的輸入設備。
24.一種無繩電話裝置，包括一個如權利要求11-22的任何一個所述的輸入設備。
25.一種膝上型計算機，包括一個如權利要求11-22的任何一個所述的輸入設備。
26.一種手持計算機，包括一個如權利要求11-22的任何一個所述的輸入設備。
27.一種書寫筆，包括一個如權利要求11-22的任何一個所述的輸入設備。
28.一種虛擬筆，包括一個如權利要求11-22的任何一個所述的輸入設備。
29.一種用於桌面計算機的鍵盤，其中集成了一個如權利要求11-22的任何一個所述的輸入設備。
30.一種用於電視機的遙控器，包括一個如權利要求11-22的任何一個所述的輸入設備。
全文摘要
一種測量目標(80)和輸入設備的相對運動的方法和輸入設備，所述運動包括至少一個滾動運動和點擊運動，使用裝置(98、100、102)來確定輸入設備的窗口(78)上該目標的存在。這允許用該輸入設備的一個傳感器單元(92、94、96)來測量滾動運動和點擊運動，並允許降低輸入設備的費用和大小。
文檔編號G06F3/041GK1659500SQ03812868
公開日2005年8月24日 申請日期2003年6月4日 優先權日2002年6月4日
發明者A·L·維傑斯, M·D·裡伊斯, C·海恩克斯, A·J·M·J·拉斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司